本發(fā)明涉及海底隧道損傷評(píng)估，具體為一種地震作用下海底隧道力學(xué)性能數(shù)值模擬評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

1、目前海底隧道的投資費(fèi)用大、建筑工期長(zhǎng)，一旦在地震作用下發(fā)生損傷破壞，將會(huì)對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生巨大的不利影響。因此，保障海底隧道抗震安全、在運(yùn)行期間進(jìn)行實(shí)時(shí)智能健康監(jiān)測(cè)、制定相應(yīng)的應(yīng)急減災(zāi)方案為城市發(fā)展提供了技術(shù)支撐，也保障了人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，具有重要意義。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，目前缺少針對(duì)復(fù)雜海域條件下最不利地震動(dòng)參數(shù)的研究，對(duì)海底沉管隧道在最不利地震動(dòng)作用下的損傷破壞狀態(tài)缺乏有效的評(píng)估方法；在實(shí)時(shí)抗震安全監(jiān)測(cè)方面，現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法及時(shí)、準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)，影響了對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)的及時(shí)識(shí)別和應(yīng)對(duì)；損傷破壞狀態(tài)受多種復(fù)雜因素的影響，而現(xiàn)有技術(shù)難以全面考慮這些因素及其相互作用對(duì)損傷破壞狀態(tài)的影響規(guī)律，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果的不確定性增加。

3、在所述背景技術(shù)部分公開(kāi)的上述信息僅用于加強(qiáng)對(duì)本公開(kāi)的背景的理解，因此它可以包括不構(gòu)成對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種地震作用下海底隧道力學(xué)性能數(shù)值模擬評(píng)估方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種地震作用下海底隧道力學(xué)性能數(shù)值模擬評(píng)估方法，具體步驟包括：

4、s1.采集隧道的幾何尺寸、材料特性、靜態(tài)荷載、動(dòng)態(tài)荷載和環(huán)境影響參數(shù)，所述幾何尺寸包括隧道直徑、隧道長(zhǎng)度、隧道壁厚和形狀，所述材料特性包括彈性模量、密度、抗壓強(qiáng)度和泊松比，所述環(huán)境影響參數(shù)包括土壤強(qiáng)度值、地下水位高度和溫度變化量；

5、s2.利用隧道的幾何參數(shù)和材料特性，在有限元分析中建立三維幾何模型，將采集到的靜態(tài)荷載輸入至模型，利用數(shù)值模擬方法獲取隧道在靜態(tài)荷載作用下的響應(yīng)，包括位移、應(yīng)力和應(yīng)變，將采集到的動(dòng)態(tài)荷載輸入至模型，利用數(shù)值模擬方法獲取隧道在地震作用下的響應(yīng)，包括最大位移、最大應(yīng)力和最大應(yīng)變；

6、s3.構(gòu)建隧道的靜態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將靜態(tài)荷載下隧道的位移、應(yīng)力和應(yīng)變作為輸入，對(duì)應(yīng)的靜態(tài)承載力作為標(biāo)簽，由專家組評(píng)定對(duì)應(yīng)的靜態(tài)承載力，對(duì)隧道的靜態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行訓(xùn)練，將新采集的靜態(tài)荷載下隧道的位移、應(yīng)力和應(yīng)變輸入訓(xùn)練完畢的靜態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停@取靜態(tài)承載力，構(gòu)建隧道的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將?dòng)態(tài)荷載下隧道的最大位移、最大應(yīng)力和最大應(yīng)變作為輸入，對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)承載力作為標(biāo)簽，由專家組評(píng)定對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)承載力，對(duì)隧道的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行訓(xùn)練，將新采集的動(dòng)態(tài)荷載下隧道的最大位移、最大應(yīng)力和最大應(yīng)變輸入訓(xùn)練完畢的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，獲取動(dòng)態(tài)承載力；

7、s4.將采集的土壤強(qiáng)度值、地下水位高度和溫度變化量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)性分析，生成用于校正靜態(tài)承載力數(shù)值的第一修正系數(shù)和校正動(dòng)態(tài)承載力數(shù)值的第二修正系數(shù)；

8、s5.將隧道的靜態(tài)承載力和對(duì)應(yīng)的靜態(tài)荷載進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，將隧道的動(dòng)態(tài)承載力和對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)荷載進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，將第一修正系數(shù)和靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成修正后的靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，將第二修正系數(shù)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成修正后的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)；

9、s6.將修正后的靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成綜合系數(shù)，根據(jù)綜合系數(shù)的數(shù)值范圍，評(píng)估海底隧道的損傷情況。

10、進(jìn)一步地，利用隧道的幾何參數(shù)和材料特性，在有限元分析中建立三維幾何模型，將采集到的靜態(tài)荷載輸入至模型，利用數(shù)值模擬方法獲取隧道在靜態(tài)荷載作用下的響應(yīng)，具體的過(guò)程如下：

11、根據(jù)采集到的隧道幾何尺寸建立三維的隧道幾何模型，使用有限元分析軟件進(jìn)行建模，輸入隧道的材料特性到模型中，設(shè)置材料的本構(gòu)關(guān)系，在模型上施加靜態(tài)荷載；

12、靜態(tài)荷載的計(jì)算公式如下：

13、；

14、其中：為靜態(tài)荷載，為自重荷載，為水的壓力；隧道的自重荷載通過(guò)計(jì)算隧道自重來(lái)施加：

15、；

16、其中：為材料的密度，為重力加速度，為隧道的體積；

17、水的壓力通過(guò)如下的計(jì)算公式：

18、；

19、其中：為水的密度，為水深，為位于隧道上方的水橫截面積；

20、將隧道底部設(shè)為固定邊界，周?chē)耐馏w設(shè)為彈性邊界；

21、在有限元軟件中，設(shè)置分析類型為靜態(tài)分析，輸入自重荷載和水的壓力；

22、執(zhí)行求解，計(jì)算隧道在靜態(tài)荷載作用下的響應(yīng)；

23、設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲取模型中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，將其均值作為隧道的位移；

24、提取應(yīng)力分布，獲取多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力，將其均值作為隧道的應(yīng)力；

25、提取應(yīng)變分布，獲取多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變，將其均值作為隧道的應(yīng)變。

26、進(jìn)一步地，將采集到的動(dòng)態(tài)荷載輸入至模型，利用數(shù)值模擬方法獲取隧道在地震作用下的響應(yīng)，具體的過(guò)程如下：

27、在模型上施加動(dòng)態(tài)荷載，動(dòng)態(tài)荷載的計(jì)算公式如下：

28、；

29、其中，為隧道的動(dòng)態(tài)荷載，為隧道的體積，為峰值加速度；

30、在施加動(dòng)態(tài)荷載后，運(yùn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，提取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大位移、最大應(yīng)力和最大應(yīng)變；

31、峰值加速度的計(jì)算公式如下：

32、；

33、其中，為震級(jí)，為震中距，、、均為系數(shù)。

34、進(jìn)一步地，所述靜態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?dòng)態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ途捎镁矸e神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，所述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用基于多層感知器的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，所述多層感知器的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、第一隱藏層、第二隱藏層、第三隱藏層和輸出層，所述第一隱藏層、第二隱藏層和第三隱藏層均具有至少兩個(gè)神經(jīng)元，且均采用relu作為激活函數(shù)。

35、進(jìn)一步地，將采集的土壤強(qiáng)度值、地下水位高度和溫度變化量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)性分析，生成用于校正靜態(tài)承載力數(shù)值的第一修正系數(shù)，依據(jù)的公式如下：

36、；

37、其中，為第一修正系數(shù)，為土壤強(qiáng)度值，為地下水位高度，為溫度變化量，為地下水位變化對(duì)靜態(tài)承載力的影響系數(shù)，為溫度變化對(duì)靜態(tài)承載力的影響系數(shù)，，。

38、進(jìn)一步地，將采集的土壤強(qiáng)度值、地下水位高度和溫度變化量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)性分析，生成用于校正動(dòng)態(tài)承載力數(shù)值的第二修正系數(shù)，依據(jù)的公式如下：

39、；

40、其中，為第二修正系數(shù)，為土壤強(qiáng)度對(duì)動(dòng)態(tài)承載力的影響系數(shù)，為地下水位對(duì)動(dòng)態(tài)承載力的影響系數(shù)，為溫度變化對(duì)動(dòng)態(tài)承載力的影響系數(shù)，，。

41、進(jìn)一步地，將隧道的靜態(tài)承載力和對(duì)應(yīng)的靜態(tài)荷載進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，將隧道的動(dòng)態(tài)承載力和對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)荷載進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，依據(jù)的公式如下：

42、；

43、；

44、其中，為靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，為隧道的靜態(tài)承載力，為隧道的靜態(tài)荷載，為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，為隧道的動(dòng)態(tài)承載力。

45、進(jìn)一步地，將第一修正系數(shù)和靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成修正后的靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，將第二修正系數(shù)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成修正后的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，依據(jù)的公式如下：

46、；

47、；

48、其中，為修正后的靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，為修正后的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)。

49、進(jìn)一步地，將修正后的靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成綜合系數(shù)，根據(jù)綜合系數(shù)的數(shù)值范圍，評(píng)估海底隧道的損傷情況，具體的過(guò)程如下：

50、；

51、其中，為綜合系數(shù)；

52、當(dāng)，則表明隧道存在嚴(yán)重的損傷，需立即進(jìn)行詳細(xì)檢查與評(píng)估，以確認(rèn)損傷的性質(zhì)和程度，確保安全；

53、當(dāng)，則表明隧道結(jié)構(gòu)安全，未出現(xiàn)明顯損傷，能夠承受當(dāng)前的載荷，繼續(xù)正常使用。

54、由于修正后的靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，反映隧道在靜態(tài)載荷下的承載能力，修正后的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，反映隧道在動(dòng)態(tài)載荷作用下的承載能力；

55、因此，綜合系數(shù)直接反映了隧道的承載能力，低的值意味著結(jié)構(gòu)存在損傷，而高的值則說(shuō)明結(jié)構(gòu)完好。

56、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

57、本發(fā)明通過(guò)系統(tǒng)化地采集和分析地震動(dòng)參數(shù)，能夠針對(duì)復(fù)雜海域條件下的最不利地震動(dòng)進(jìn)行深入研究，填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)在此領(lǐng)域的空白，為海底沉管隧道的抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)；通過(guò)建立靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，結(jié)合專家評(píng)定的承載力標(biāo)簽，利用數(shù)值模擬方法獲取隧道在靜態(tài)荷載作用下的響應(yīng)和動(dòng)態(tài)荷載作用下的響應(yīng)，從而使采集的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地反映隧道在最不利地震動(dòng)作用下的損傷狀態(tài)；通過(guò)對(duì)土壤強(qiáng)度、地下水位、溫度變化等環(huán)境因素進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)性分析，生成用于校正靜態(tài)承載力數(shù)值的第一修正系數(shù)、校正動(dòng)態(tài)承載力數(shù)值的第二修正系數(shù)，利用第一修正系數(shù)、第二修正系數(shù)分別對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的校正，全面考慮這些因素及其相互作用對(duì)隧道損傷狀態(tài)的影響。